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[Ansys仿真] Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

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发表于 2015-11-11 16:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-11 17:14 编辑
  a/ u5 T6 l. \$ W  @6 \, |+ }7 b# c
近日开始使用Q3D软件。为了验证自己是否操作正确,故特意仿了一段微带线,但是发现其单位电导,单位电感有点差距。
& g5 c' d/ Q3 r' O
* ?1 D& C; G5 a2 g: J  @! r叠层设置如下, ~) a7 n/ }% h* O' \- a
QQ截图20151111171612.png : l! f" U$ i, M1 W; p% N1 d& a
- ?" `% X' \' Q* H  Z) n
1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数:
% O3 ], v$ o/ T* f4 t1 H QQ截图20151111165006.png 0 w: J9 p  G  h: v
' y# T6 ?7 e' o
即SI9000计算的值如下(每inch):
/ r' e+ Y, Y, kR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF1 o% x8 s, z, @9 R* r+ b
8 ?0 j) a, A; J
: M8 w: Z5 m+ J6 I/ d* s
2、Q3D依据同样的叠层建模,走线长度为100mil,在走线的两端分别添加Source和Sink,参考平面设置为地网络
' e; l! V7 w6 {8 a9 | QQ截图20151111165406.png QQ截图20151111165459.png * @* S# f# ~! i& `7 d5 V

2 Q. X+ k( w; X* I1 @6 y4 U" L求解设置(比较高的精度要求):0 b+ Z5 ]! z' g' C9 w; i
QQ截图20151111165548.png 收敛:! i: }4 F; B0 `$ {* r
QQ截图20151111171339.png
1 K* n& u, I$ Z4 z# S
9 \5 W" c8 J6 `1 Q求解的RLGC值:
+ V. I3 R# |! t* F QQ截图20151111165804.png QQ截图20151111165819.png " H* s/ C$ w$ V' {2 c  B
即Q3D计算的值如下(按每inch换算):* O8 j  W9 W; ?; R
R= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF
* `3 J- p0 i& r3 L# K
$ B0 Q8 T- Y* W' @0 W把SI9000计算的值再次罗列如下(每inch):/ \9 c; t8 D, K, C* P# e4 W
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
$ |% S  p2 Q/ E4 E: L, M' X2 o' }. P6 c
可以看到L和G差距非常大,想问一下具体是什么原因导致了这么大的差距?是Q3D软件的使用方法问题么?Q3D的模型如附件,软件版本为2014。 Project7.zip (22.29 KB, 下载次数: 15)

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发表于 2015-11-13 13:36 | 显示全部楼层
tanghao113 发表于 2015-11-12 17:368 V- h6 E( z, k
之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。
4 O# X# k( }& k! S
, \# X6 J7 H6 y! w- o: w0 E ...

0 ^/ _4 P1 m- U- [* n: z) p, d2 V选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
4 g2 j+ ~6 w& R对于交流:
! S5 \. ?) k* R而测试点在source端,你如果加反向source,那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。' q# V1 J- R# w
正确的算self inductance的方式应该是地平面加infinite GND boundary,因为真的参考面只有与正馈相邻的面,参考层的地厚度对微带线几乎无影响。0 f4 ^. L( g( c9 i  R' L" S$ `
你如果一定要用singal的方式,那么就要以同样的馈电位置形成端口,然后reduce return或者reduce ground去除到地的互感影响,否则就不是正确微带线的模型。- [( j$ k' d( A* u! P4 ?

5 a7 u  C0 e3 t  ?* k3 u& FL matrix是有self和mutual部分的
& l* c& P! A" d3 F  N. ]- g, Z* z环路中的loop inductance和self inductance只有在构成信号环路且返回路径为电边界的情况下才相等,因为此时的mutual为0,self就是loop。若不是电边界,视作信号线的话,那么其就存在mutual,self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感。
( d1 M' }) j$ G% L你原始工程文件的GND NET方式是没有GND测试点的,所以测出来的就是signal的loop inductance,只不过其AC环路没有包括地而是到无穷远处的电边界,而GND NET只是其中一个静态线,但是其算出来的self inductance是不是等于和地构成的环路的partial inductance,答案是否,你可以删掉GND的copper,你会发现结果和有这个inductance会略增大,但是差异不大,很显然就是去掉了signal到GND net部分的mutual inductance影响。所以你算出来的这个self inductance值,到底是个什么东西,取决于你的激励和边界是不是和真实的信号传输线结构相同。
5 \7 b! D& W% |: L- h4 v4 D4 ~3 m8 L8 ~

4 l$ d- k( @; b5 F; {+ D" E
- n; Q4 P% h% g, Q3 D5 Q

点评

[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ] 你確定 self 就是 partial 嗎? Q3D 可以解任何一段導體 (包含人們認知的 signal net 或 ground net ) 的局  详情 回复 发表于 2015-11-13 23:27
谢谢版主,我先细细消化一下。  详情 回复 发表于 2015-11-13 16:30
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发表于 2015-11-12 10:09 | 显示全部楼层
这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。, x! X5 ^7 J" j  C* m
可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是一致的,差距估计也就在5%左右。
6 F7 W+ `& }+ x至于G,mS和S的单位差你难道没发现么?; u% [" }" ~  O% U% q; f) ~% v

* V' q$ i4 i& ]8 V

点评

多谢版主!还是版主强大。 G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。 按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感,要自己去通过公式换算成回路电感? Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual  详情 回复 发表于 2015-11-12 15:02
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发表于 2015-11-12 16:03 | 显示全部楼层
<< 而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance >> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance." K4 ?& q0 m; @7 ^

) }0 a2 a; K% o, h: O; R1 z均勻傳輸線特性阻抗要與 Polar 比較,請用 Q3D 的 "2D Extractor " 求解。

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之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。 果然是的,用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得  详情 回复 发表于 2015-11-12 17:36
事实上,楼主的模型本就没选GND作为signal,而是直接用的ground net。 算出来的matrix本就是包含了signal self+GND,没有signal net给你reduce。 那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢?:  详情 回复 发表于 2015-11-12 17:10

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 楼主| 发表于 2015-11-12 15:02 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-12 10:09& {0 q* ^2 S# ~6 @' }
这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。3 D- y: N" n/ T8 G2 x+ k2 B
可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是 ...

8 y- M( i, @5 @/ W, Y多谢版主!还是版主强大。G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。! D( F* v7 y* V
! C2 a/ o7 ]1 Z, [  ^: _/ P
按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感,要自己去通过公式换算成回路电感?9 u  b- U4 \- Z/ ^, B
Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual2 g( d, T5 S1 a9 p
" ?2 R" w' k& i+ w/ w- M
上文我把参考平面Assign成Ground网络了,这样Matrix结果里面就没有两导体的互感。其实我把参考平面Assign成Ground网络就是想让信号线参考它呀,不然这个Ground网络的意义为何?& T. l. K( N& d! l2 p- i% }" Y! s

2 Z, L0 T' i4 [0 v那我想算Lloop具体应该怎么做呢?地平面也要设置成Signal网络,再加Sink和Source得到互感后手工计算?: R) l3 o% P" _4 G0 i* E3 G

7 R* h# P5 z" Y- G2 L9 t/ j还有对Reduce Matrix里面也有Ground Net和Return Path,对其用法不是很了解。版主能否详细介绍下呢?非常感谢?  u4 O' s! E! l& x! A% Y+ I$ X

点评

事实上,Q3D算的就是loop inductance。 SI9000算的才是self inductance。 RLGC构成的电路L11,而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。  详情 回复 发表于 2015-11-12 15:36

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发表于 2015-11-12 15:36 | 显示全部楼层
tanghao113 发表于 2015-11-12 15:02
% @4 K, r; p- [  E6 k: k) G多谢版主!还是版主强大。G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。) {8 Y4 L2 d+ u" g& [% P

& z% B% i7 K( T) A1 X2 ^按您这么说Q3D软件算出来的都 ...
. a, y. g9 ^$ Y. r
事实上,Q3D算的就是loop inductance。+ _9 Q2 C# N# V; p
SI9000算的才是self inductance。: m: Z* i# n" n
RLGC构成的电路L11,而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。
' t, j! j% Y- P8 x4 L8 R! `  P

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请教版主一个问题么?我在SIWAVE设置好PCB的相关叠层参数,导出到Q3D的时候PCB介质显示一整块的,不是我想要的结果,这种情况该怎么办呢?  详情 回复 发表于 2017-3-6 20:22
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发表于 2015-11-12 17:10 | 显示全部楼层
Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
" a# b# }8 G6 x: P9 F> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.5 r6 X  x2 o3 j: O

2 A& l" m" j  C. E/ |, n均勻傳輸線特性 ...
8 v. J& a3 g* E+ f, H( d6 n
事实上,楼主的模型本就没选GND作为signal,而是直接用的ground net。
  l% V1 ~! F2 k7 h/ t; M算出来的matrix本就是包含了signal self+GND,没有signal net给你reduce。. p' n% p, ?3 ^
那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢?) M9 `& d! y7 v
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 楼主| 发表于 2015-11-12 17:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-12 17:41 编辑
( {& w1 D! P, q2 w
Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
% @7 I! I! L1 e' q8 f% w" q  K; L. J5 l> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.
3 A. V2 ^- a! |: R1 w1 A( K1 S
7 Q4 [& f$ l8 v$ v# R  l均勻傳輸線特性 ...

# G1 j, v, \* o; E之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。
5 p3 f: u7 s( o( P% X" r: D6 [
) `! v( o% H6 P5 q+ }3 u  R( v果然是的,信号与参考平面都Assign为Signal Net,用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得到Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual
% a% @. b/ M: Z# ?" @) l$ _/ D6 J7 U  A' v
其中设置为:信号与参考平面都Assign为Signal Net,都设置好Source和Sink,不过要使得电流方向方向要设成同向,若设成反向则超出很多。经分析与Lmutual的±号有关,不知为何要设置同向电流,比较难以理解,按理回流应该反向才对。# G! i1 a8 X" \+ S( r

) g1 M" D$ ?# z* v- \; `同向时候(Original与Return Path矩阵):
0 B( B1 Y8 \8 X6 Q/ T3 R QQ截图20151112172425.png QQ截图20151112172216.png   O: {# u- r5 w: U& w$ u; q# w
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH; E# q# u8 F7 B0 N7 b
/ |& N7 L) E0 p- {9 {' l
反向(Original与Return Path矩阵):8 l, H. C2 M# w$ q
2.png 3.png ; s3 G+ e6 W/ A, x
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH. f. d: p) D% ]6 E

! p7 e  n+ C. d( x& r6 Q) a& X0 w! f( e6 d- x1 Z
% E  E' _0 j* p1 t
  `* v/ d5 f8 c* T% m! K( @
9 E3 H7 C0 t# x) F% y$ v

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选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。 对于交流: 而测试点在source端,你如果加反向source,那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。 正确的算self inductance的方式应该是地平面加infini  详情 回复 发表于 2015-11-13 13:36

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 楼主| 发表于 2015-11-13 16:30 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-13 13:36
; s! G/ j0 L& L) U选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
4 A% P; y: V" v$ P* G3 u% k( N对于交流:
1 k0 P+ `" P/ A1 B8 R7 G3 M而测试点在source端,你如果加反向source,那么获 ...

! i2 ^8 I; k/ B" M+ d% a! t谢谢版主,我先细细消化一下。/ ^& M6 U% h% W* l/ ]" {$ f; q% i

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发表于 2015-11-13 23:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 Head4psi 于 2015-11-15 20:39 编辑
& V9 L. g9 e" n+ Y1 v- |. m
cousins 发表于 2015-11-13 13:36
/ _. L8 q0 M4 R9 H2 F9 \% Y选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
/ x# O5 K% {* j  W5 q8 ]对于交流:
/ V7 C6 f$ F  d2 Q: |7 I而测试点在source端,你如果加反向source,那么获 ...
6 X! k, u# Z$ b' ^

( a& `( w; y$ p1 Q' F: h1 Y/ I  x; v/ X( o; E

1 t0 `/ E5 a) O% D6 t

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我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环路,有互感的前提下,自感为partial。 而且,你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了,楼主最开始的模  详情 回复 发表于 2015-11-14 07:52

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发表于 2015-11-13 23:29 | 显示全部楼层
Q3D_Extra_PartialL.png 0 f7 b8 V+ j  B  ^% p8 }7 h
Partial_LoopL.png

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[attachimg]105481[/attachimg] 有关多根走线共用返回路径的环路电感的计算,我的理解如下(电流流向如上图所示): 环路1的环路电感为:(L11 + L12 + L13 - L1-return) + (Lreturn - L1-return - L2-r  详情 回复 发表于 2015-12-2 14:12

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发表于 2015-11-14 07:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 cousins 于 2015-11-14 08:09 编辑
4 W, ^+ z7 [+ M  H7 c' l
Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
1 ~# J" p& T2 F2 C/ t( Q& |[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ]
; \+ _5 w  H+ t' [$ v ...
3 X  i1 y! h1 }
我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环路,有对静态地互感的前提下,自感为partial。
; S8 Z: T/ p% [, b% F' X  \! s而且,你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了,楼主最开始的模型算的L11难道不是自感?你又不是很肯定的说是partial?
/ c0 U; f3 l; T4 @: m* y  P

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看晕了,这个reduce martix太烦人了,自己看得头都大了  详情 回复 发表于 2015-11-16 16:51
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 楼主| 发表于 2015-11-16 16:51 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-14 07:52' j0 R! m6 }( k1 P) r: s
我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环 ...
. h2 }6 l4 r) x7 u
看晕了,这个reduce martix太烦人了,自己看得头都大了
7 [$ s2 z' X0 S& N- }

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 楼主| 发表于 2015-11-18 11:45 | 显示全部楼层
光是这个电感就够我回去在研究一遍电磁场了,先传个附件,学习学习

Archambeault3.pdf

580.95 KB, 下载次数: 23, 下载积分: 威望 -5

PP_PartialInductance.pdf

273.01 KB, 下载次数: 35, 下载积分: 威望 -5

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学习了,好东西收藏下  详情 回复 发表于 2018-7-31 17:01

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 楼主| 发表于 2015-11-19 17:44 | 显示全部楼层
       最近这几天有好好学习了一下Q3D的官方教程。了解到Q3D软件解出来的都是Partial inductance(局部电感),而Q2D或SI9000这些2D场解工具算出来的都是Loop inductance(回路电感)。如下图所示:
QQ截图20151119152302.png
  s+ _9 \" F& K2 z. L% O
       其中Patial inductance又含Partial self-inductance(局部自电感)和Partial mutual inductance(局部互电感),有关这两个概念可参见Eric Bogatin大师的书,上面写得很清楚。
$ d- d. V- K' j! Z: B9 z       为了实测(其实实测的就是Loop inductance,因为必须要形成环路才会有电流流过)能与Q3D的仿真数值能联系起来,必须使用Martix Reduction来获得Loop inductance。如下图所示。
2 g# q9 a. A# `6 Z. N% u& l
# ~+ q: E- o8 `- W5 u! y
* _8 r) Q: z/ f( g$ ^) v
QQ截图20151119153212.png
; D. E# A7 V6 M5 E
. N, F( c! h7 P( B4 T' C8 t
5 [1 g4 k0 l: O5 D
       Q3D可以求解出Patial inductance(局部电感)LS1,LR1,LS1-R1,为了得到Loop inductance(回路电感),用Martix Reduction中的Return Path来求得。" A& J& `9 |! ?; n  _- Q
QQ截图20151119153514.png
8 H8 o7 ]+ Y2 `- F. P4 x
! q; |! n0 L: Q5 R+ y

, Y9 A6 H' z- Q0 g) ?
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